发动机组件 |
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| 申请号 | CN201310275043.6 | 申请日 | 2013-07-02 | 公开(公告)号 | CN103527292A | 公开(公告)日 | 2014-01-22 |
| 申请人 | 福特环球技术公司; | 发明人 | 伊恩·格雷厄姆·佩格; 罗伯特·赫勒-洛伦岑; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供一种 发动机 组件，包括： 发动机控制单元 ；具有排气的 内燃机 ；由所述排气驱动使用的 涡轮 机；用于存储由所述 涡轮机 从所述排气回收的 能量 的能量存储机构；其中，所述发动机控制单元是可操作的以改变所述能量存储机构中的储能率。还提供一种混合动 力 车辆，其包括本发明的发动机组件。本发明在几乎所有发动机运行状况下更有效回收能量。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种发动机组件，包括： |
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| 说明书全文 | 发动机组件技术领域背景技术[0003] 因此引入了混合动力车辆以在车辆减速期间回收能量并用以加速/驱动车辆或通过提供电力需求来对该能量加以利用。然而这会导致成本和重量的大幅增加，同时本发明人注意到这无法回收以其他形式浪费的能量，诸如伴随着排气的废热。 [0005] US2007/0151241公开了一种内燃机，其包括连接至发电机的排气轮机以及将产生的电流引导至电动机或储能器的控制器。因此，相较于引导涡轮机的能量返回曲轴的直接机械联轴器，要求更有效地利用由涡轮机驱动的发电机产生的电能。 发明内容[0006] 根据本发明，提供了一种发动机组件，包括： [0007] 发动机控制单元； [0008] 具有排气的内燃机； [0009] 在使用中，由所述排气驱动的涡轮机； [0010] 用于存储通过所述涡轮机从所述排气回收的能量的能量存储机构； [0011] 其中，发动机控制单元是可操作的以改变在能量存储机构中的储能率。 [0012] 优选地，发动机组件包括将来自所述涡轮机的机械能转换成电能的发电机。 [0013] 优选地，所述发动机控制单元通过改变所述能量存储机构中的储能率来控制所述发动机的背压以控制排气再循环回路中排气的再循环。 [0014] 本发明还提供了一种包括该发动机组件的混合动力车辆。 [0015] 优选地，所述车辆用以回收制动时损失的部分能量。 [0016] 优选地，通过增加所述能量存储机构中的储能率，并将所述发动机移至更高效率的操作点然后至少部分地由所述能量存储机构运行所述车辆，所述发动机控制单元是可操作的以增加所述发动机上的负载。 [0017] 因此，当能量存储机构中的储能率是可变的，在涡轮机上游产生的背压量也是可变的。通过这种方式，发动机控制单元可控制发动机的多个方面。另外，下游压力同样会受到影响并且可用于控制发动机的其他方面。 [0018] 在第一实施例中，可选地替代进气节气门，通过经由涡轮机控制发动机的背压，发动机控制单元如此控制发动机的输出功率。通过以这种方式减少气流，而非经由进气节气门对气流进行不可逆地节流，能够经由涡轮机回收能量。 [0019] 在第二实施例中，发动机控制单元如此控制排气在排气再循环回路中的再循环。通常，可变截面涡轮增压器（VGT）可被操作来产生足够的压力以使排气再循环，或者如果排气再循环在涡轮增压器下游发生，则通常为实现上述目的而使用排气节气门。无论怎样，这样做都是低效的，本发明的实施例可提供这种压力增加并回收一些这样做所需能量（这些能量目前都是被浪费掉的）。使用涡轮复合机来提升整个EGR（排气再循环）系统的压力差的方法可在低压系统和高压系统中使用。 [0021] 低压EGR回路通常为这样一种回路：气体再循环从涡轮增压器涡轮机（或引起气体压力降低的其他装置）的下游开始并且再循环回到涡轮增压器压缩机（或其他所述装置）的上游位置。 [0022] 改变能量存储机构中的储能率可包括改变涡轮机上的负载。 [0024] 通常，发电机包括在发动机组件中。对于发动机组件包括发电机的实施例而言，发动机控制单元是可操作的以改变发电机所需电压，发动机控制单元可改变储能率并因此改变涡轮机的负载和产生的背压。US7,812,467中描述了一种改变负载的发电机的实例（其全文结合在本文中作为参考），其描述的是IC发动机上的电负载控制方法。 [0025] 本发明的实施例允许在几乎所有发动机运行状况下回收能量。实际上，本发明的发明人已经注意到接近三分之一的发动机能量通常随着排气浪费。如上所述，对于本发明的实施例而言，这些能量中的很大比例可以被回收。 [0026] 本发明的确定性实施例的优势在于，它们并非像很多常规混合动力车辆那样仅在车辆制动时回收废能，而是当发动机在任何负载下运行时都可以回收废能。这种能量可用于向车辆提供动力。 [0027] 确定性实施例的另一优势在于，还可能在能量生成的同时经由电动机使用该能量推动车辆（与在制动时生成能量而不能此时使用该能量的传统混合动力车辆不同）。 [0028] 本发明的确定性实施例的一个优势在于，可减小混合动力车辆中能量存储装置的尺寸，因为相较于某些已知的混合动力车辆，能量存储装置使用起来更加简便。 [0029] 例如，通过增加能量存储机构中的储能率并将发动机移至更高效的操作点，发动机控制单元可被操作以增加发动机上的负载。当经由本发明的涡轮机存储足够的能量时，发动机断开并且由能量存储机构运行车辆。然后，发动机再次啮合，并且相同的程序无限地重复。这种“脉冲巡航（pulse and cruise）”系统可以特别有效地利用燃料。 [0030] 本发明的确定性实施例的优势在于，尽管这种系统可增大发动机外壳，但其可避免对于在发动机和变速箱之间放置大型电机的需求。另外，发动机和变速箱/离合器系统的整体长度通常是车辆设计中的决定性因素。 [0031] 本发明的确定性实施例的又一优势在于，其可提供更好的封装自由性。 [0032] 仅通过该系统或者结合传动系系统（包括所安装的发动机）中的第二发电机还能够回收动能。第二发电机可包括交流发电机。因此，车辆可从能量存储机构获取电能用于车载电子设备。因此，本发明的确定性实施例的又一优势在于，可连同交流发电机一起移除同时不具备前端附件驱动（FEAD）。这能够再次提高燃料经济性并改善成本效益方程，这尤其是因为本发明可捕获动能而非另外用以驱动车辆的能量。 [0034] 该车辆还可用以回收制动时损失的部分能量。 [0036] 发动机控制单元可控制储能率，以便提高适于微粒捕集器再生的条件。 [0037] 发动机控制单元可控制储能率，以便提高适用于NOx捕集器的条件。 [0039] 现在参照附图描述本发明的实施例，其中： [0040] 图1是根据本发明的发动机布局的示意图； [0041] 图2是根据本发明的发动机布局的可选示意图，其示出了高压和低压EGR回路；以及 [0042] 图3是发动机布局的另一个示意图，其示出了稀燃NOx捕集器。 具体实施方式[0043] 图1示出了混合动力车辆发动机组件10，其包括发动机12、排气歧管14、下游排气涡轮机16、发电机18和发动机控制单元（ECU）19。示出的其他发动机组件的部件还包括可变截面涡轮增压器（VGT）20、中冷器22和空气滤清器24。 [0044] 除了从涡轮机16回收能量并供给至发电机18之外，发动机组件10正常运行。然后，被回收的能量根据普通混合动力车辆来使用。 [0045] ECU19可以改变发电机18所需的负载，因此改变了由涡轮机16产生的背压量。相应地，这会影响发动机的运行。由于背压的改变减少了穿过发动机的气流，因此安装有进气节气门的发动机可能会降低进气节流的水平。如果涡轮机16是可变截面单元，还可以设定叶片位置来优化整体效率。整体效率可被优化来获得特定的发动机运行状态，或者被更加全局地优化以使得“脉冲巡航”运行模式的益处最大化。 [0046] 在特别优选的实施例中，这种“脉冲巡航”模式为发动机12以比平时更高的负载（但更高效）运行并且排气能量由涡轮机回收的模式，然后车辆在轻车辆负载并且发动机关闭条件下由发电机（或其他储能装置）供能。本发明的发明人已经注意到尽管发动机在高负载下必然需要更多燃料，但发动机最大效率时的负载经常会比用户通常运行的负载高。因此本发明的实施例益处在于，提高负载以更有效地使用发动机，然后通过涡轮机16和发电机18回收进入排气的能量。 [0047] 为了使能量回收最大化或者调整可存储的能量比率，VGT在涡轮机16和/或VGT20位置处可以与速度相匹配。如此，针对规定电输出可设定最大效率工作点。通过这种方式，可以在发动机效率、涡轮机效率和电机效率之间获得最适宜的性能。 [0048] 在优选的实施例中，为了使在车辆减速期间可供回收的排气能量最大化，最好禁用任何形式的进口节流。这包括优化阀控制以及打开节气门（如果安装了节气门）。对于气缸断缸的发动机来说，应使用所有气缸。 [0049] 图2中示出本发明的发动机系统110的另一个实施例，其包括高压排气再循环回路130和低压排气再循环回路140。替代实施例可包括低压排气再循环回路140或高压排气再循环回路130。相似部分以在相同标号前增加“1”示出。 [0050] 系统110包括发动机112、具有冷却器132和比例控制阀133的高压排气再循环回路130、以及涡轮增压器120。在涡轮增压器120下游的排气线路中，具有柴油机氧化催化剂126和柴油微粒过滤器128。包括涡轮机116和电池118的涡轮复合机设置在柴油微粒过滤器128的下游。旁通回路144围绕涡轮复合机设置并且由比例阀142控制。低压EGR回路140设置在涡轮复合机116，118的下游并且由EGR阀146控制。与常规系统相同，同样存在空气滤清器124和中冷器122。 [0051] 与所有发动机一样，有时再循环排气的压力没有高到足以返回发动机的进气侧。可以设置排气节气门以增加该压力从而实现排气再循环。可选地，也可使用可变截面涡轮增压器120起到相同的效果。然而在任一情况下，对该压力进行增压均会损失能量。相反地，对于本发明的该实施例来说，部分能量可以从涡轮机116回收。为此，ECU119可增加涡轮机116上的负载，这可以进而增加发动机112出口处的压力并因此对高压EGR回路130的进口处的排气流进行增压，以在排气歧管和进气歧管之间的产生压力差，从而使排气返回发动机的进气侧并实现再循环。因此，与采用可变截面涡轮增压器或节气门来实现再循环的传统技术（其会损失能量）相比，在增压过程中的部分能量损失可以上述方式通过涡轮机116和发电机118回收。 [0052] 如果低压EGR回路140需要增压，则涡轮机116可类似地按所需增压，因此可回收通常会由例如节气门损失的部分能量。 [0053] 如此，EGR较少使用或无需使用EGR排气节气门。 [0054] 旁通回路144用于在极低负载时避免任何负损失。如果排气很冷，尽管在进行后处理装置（诸如柴油机微粒捕集器）的再生操作，仍能够使用旁通回路144。 [0055] 本发明实施例的益处在于，如图2所示，装置可以安置在微粒捕集器的下游。然后其可以通过增加发动机上的背压以增加负载（从而需要更多燃料和产生更热的排气）以及通过降低穿过发动机的气流（从而由于更多的内部EGR导致更热的排气和较低的NOx），来辅助微粒捕集器的再生。 [0057] 通常在使用中，ECU119计算燃料需求和诸如喷油正时、AFR（空气-燃料比）需求等的其他设定，以获得变速箱的期望功率。因此ECU119可确定涡轮复合机的最适宜位置以及其所需负载，从而操纵EGR回路和/或控制来自发动机的进气。 [0058] 可操纵对围绕涡轮复合机116的旁路进行控制的比例旁通阀142、可变截面涡轮增压器120和比例EGR阀133，从而加强由涡轮复合机的变化负载产生的不同控制影响。例如，当操纵情形位于涡轮机复合机下游时，可使用围绕涡轮复合机116的旁通阀142以使涡轮复合机变化负载的背压影响最小化。（这是一种可能的解决方案。其还可以通过ECU经由发电机118上的电负载来控制）。 [0059] 图3示出了一个可选的实施例，结合有旁路244的涡轮复合装置216、218还可以设置在发动机210的下游，但是在稀燃NOx捕集器（LNT）250的上游。在短时浓排气（short rich exhaust）运行周期期间，存在用于吸收NOx和减少存储的NOx的狭窄的峰值效率温度窗口。同时还存在某一温度，如果超过该温度则上述装置会释放NOx。因此，该装置还可用于辅助LNT250的理想性能。LNT通常比选择性催化还原（SCR）系统更加便宜。另外，可以改变LNT的位置从而获得最佳操作温度。 [0060] 因此，通过使用涡轮复合单元而非过度关闭主发动机VGT或替换排气节气门，这些实施例可获得期望的压力差。 [0061] 在替代实施例中，能量的转化/存储无需发电机，而可以是电容器、飞轮或者除发电机之外的这些部件的任意结合。然后，混合动力汽车中的各种部件可以由飞轮、电容器等运行。然而，优选实施例容许快速充电以使能够被回收的能量最大化。 |
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